第三章场效应管及场效应管放大器

场效应管（FieldEffectTransistor）

一种压控流型器件

单极型半导体器件

低噪声、热稳定性好

易于大规模集成化庞大的“家族”场效应管FET结型场效应管JFET绝缘栅型场效应管MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFETN沟道MOSFETP沟道MOSFET增强型MOSFET耗尽型MOSFETN沟道JFETP沟道JFETN沟道增强型MOSFET的工作原理D(Drain)为漏极G(Gate)为栅极S(Source)为源极N沟道增强型MOSFET结构示意图及符号虚线：增强型箭头朝里：N沟道N沟道增强型MOSFET基本上是一种左右对称的拓扑结构，它是在P型半导体上生成一层SiO2

薄膜绝缘层，然后用光刻工艺扩散两个高掺杂的N型区，从N型区引出电极。一个是漏极D，一个是源极S。在源极和漏极之间的绝缘层上镀一层金属铝作为栅极G。P型半导体称为衬底，用符号B表示。结构及工艺说明工作原理1．栅源电压VGS的控制作用

（1）当VGS=0V时：漏源之间相当两个背靠背的二极管，在D、S之间加上电压不会在D、S间形成电流，D、S不通。

（2）当栅极加有电压但0＜VGS＜VGS(th)时：

因为栅极和衬底间的电容效应，将靠近栅极下方的P型半导体中的空穴向下方排斥，就会出现一个负离子的耗尽层。因为VGS不足够大，无法形成导电沟道将漏极和源极沟通，所以D、S仍然不通。VGS<VGS(th)VDSVGS(th)---开启电压（3）当VGS＞VGS(th)时：会在靠近栅极下方的P型半导体表层中聚集较多的电子，形成沟道。如果此时加有漏源电压VDS，就可以形成漏极电流ID。在栅极下方形成的导电沟道中的电子，因与P型半导体的载流子空穴极性相反，故称为反型层。

随着VGS的继续增加，ID将不断增加。在VGS=0V时ID=0，只有当VGS＞VGS(th)后才会出现漏极电流，这种MOS管称为增强型MOS管。VGS>VGS(th)VDSN沟道增强型MOSFET的转移特性曲线VGS对漏极电流的控制关系称为转移特性曲线：转移特性曲线的斜率gm的大小反映了栅源电压对漏极电流的控制作用。gm

的量纲为mA/V(mS)，所以gm也称为跨导。跨导的定义式:

gm=ID/VGSVDS=const

2．漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用

因为：VGD=VGS－VDS所以：当VDS为0或较小时，（VGD≈VGS)＞VGS(th)，沟道分布如右图，此时VDS

基本均匀降落在沟道中，沟道呈斜线分布。漏源电压VDS对沟道的影响

当VGS＞VGS(th)

且固定为某一值时，漏源电压VDS对沟道的影响如图：当VDS增加到使VGD=VGS(th)时，沟道如图(b)，称为预夹断。当VDS增加到VGDVGS(th)时，沟道如图(c)，此时预夹断区域加长，VDS增加的部分基本降落在随之加长的夹断沟道上，ID趋于不变。N沟道增强型MOSFET的

漏极输出特性曲线当VGS＞VGS(th)且固定为某一值时，VDS与ID的关系如下：N沟道耗尽型场效应管VGS>0时：反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大。VGS<0时：反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小。VGS=VGS(off)时：反型层消失，iD=0。N沟道耗尽型场效应管的特性曲线vGSVGS(off)OiDvGSOiDVGS(off)VGS=0VGS>0时：反型层变宽，沟道电阻变小，iD增大。VGS<0时：反型层变窄，沟道电阻变大，iD减小。VGS=VGS(off)时：反型层消失，iD=0。结型场效应三极管结型场效应三极管的结构(1)结型场效应三极管的结构JFET的结构与MOSFET相似，工作机理则相同。JFET的结构如左图所，它是在N型半导体硅片的两侧各制造一个PN结，形成两个PN结夹着一个N型沟道的结构。一个P区即为栅极，N型硅的一端是漏极，另一端是源极。(2)结型场效应三极管的工作原理

①栅源电压对沟道的控制作用

根据结型场效应三极管的结构，因它没有绝缘层，只能工作在反偏的条件下，对于N沟道结型场效应三极管只能工作在负栅压区，P沟道的只能工作在正栅压区，否则将会出现栅流。现以N沟道为例说明其工作原理。当VGS=0时，若在漏、源之间加有一定电压，在漏、源间将形成多子的漂移运动，产生漏极电流。gsdN当VGS＜0时，PN结反偏，耗尽层加宽，漏、源间的沟道将变窄，ID将减小，VGS继续减小可直至为0。当漏极电流为零时所对应的栅源电压VGS称为夹断电压VGS(off)。gsdN

②漏源电压对沟道的控制作用

在栅极加上电压且VGS为0-VGS(off)之间某一确定值时，若漏源电压VDS从零开始增加，则VGD=VGS-VDS将随之减小。使靠近漏极处的耗尽层加宽，沟道变窄，从下至上呈楔形分布。但，只要不出现预夹断区，ID将随VDS线性变化。gsdN

当VDS增加到使VGD=VGS-VDS=VGS(off)时，在紧靠漏极处出现预夹断，当VDS继续增加，漏极处的夹断继续向源极方向生长延长。以上过程与绝缘栅场效应三极管的十分相似。gsN

(3)结型场效应三极管的特性曲线JFET的特性曲线有两条，一是转移特性曲线，二是输出特性曲线。它与MOSFET的特性曲线基本相同，只不过MOSFET的栅压可正、可负，而结型场效应三极管的栅压只能是P沟道的为正或N沟道的为负。(a)漏极输出特性曲线(b)转移特性曲线N沟道结型场效应三极管的特性曲线场效应三极管的参数和型号(1)场效应三极管的参数

①开启电压VGS(th)(或VT)

开启电压是MOS增强型管的参数，栅源电压小于开启电压的绝对值,场效应管不能导通。②夹断电压VGS(off)(或VP)

夹断电压是耗尽型FET的参数，当VGS=VGS(off)时,漏极电流为零。③饱和漏极电流IDSS

耗尽型场效应三极管,当VGS=0时所对应的漏极电流。

④输入电阻RGS

场效应三极管的栅源输入电阻的典型值，对于结型场效应三极管，反偏时RGS约大于107Ω，对于绝缘栅型场效应三极管,RGS约是109～1015Ω。⑤低频跨导gm

低频跨导反映了栅压对漏极电流的控制作用，这一点与电子管的控制作用相似。gm可以在转移特性曲线上求取，单位是mS(毫西门子)。

⑥最大漏极功耗PDM

最大漏极功耗可由PDM=VDSID决定，与双极型三极管的PCM相当。

场效应三极管的型号,现行有两种命名方法。其一是与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场效应三极管，3DO6C是绝缘栅型N沟道场效应三极管。

第二种命名方法是CS××#，CS代表场效应管，××以数字代表型号的序号，#用字母代表同一型号中的不同规格。例如CS14A、CS45G等。双极型和场效应型三极管的比较

双极型三极管

场效应三极管结构NPN型结型耗尽型N沟道P沟道 PNP型绝缘栅增强型N沟道P沟道绝缘栅耗尽型N沟道P沟道

C与E一般不可倒置使用D与S有的型号可倒置使用载流子多子扩散少子漂移多子漂移输入量电流输入电压输入控制电流控制电流源CCCS(β)电压控制电流源VCCS(gm)

双极型三极管

场效应三极管噪声较大较小温度特性受温度影响较大较小，可有零温度系数点输入电阻几十到几千欧姆几兆欧姆以上静电影响不受静电影响易受静电影响集成工艺不易大规模集成适宜大规模和超大规模集成共源组态基本放大电路

对于采用场效应三极管的共源基本放大电路，可以与共射组态接法的基本放大电路相对应，只不过场效应三极管是电压控制电流源，即VCCS。共源组态的基本放大电路如下图所示。共源组态接法基本放大电路

将共源基本放大电路的直流通道画出,如下图所示。共源基本放大电路的直流通道

根据图03.29可写出下列方程

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)

VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=ID0[(VGSQ/VGS(th))-1]2

VDSQ=VDD－IDQ(Rd+R)

于是可以解出VGSQ、IDQ和VDSQ。Rg1RdRRg2VDDId微变等效电路

与双极型三极管相比，输入电阻无穷大，相当于开路。VCCS的电流源还并联了一个输出电阻rds，在双极型三极管的简化模型中，因输出电阻很大视为开路，在此可暂时保留。其它部分与双极型三极管放大电路情况一样。(2)交流分析①电压放大倍数

如果有信号源内阻RS时：②输入电阻③输出电阻共漏组态基本放大电路(1)直流分析

VG=VDDRg2/(Rg1+Rg2)VGSQ=VG－VS=VG－IDQR

IDQ=ID0[(VGSQ/VGS(th))-1]2